Entwicklung und Charakterisierung von nanostrukturierten thermischen MEMS-Flusssensoren

Abstract

Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind laut einer Studie der WHO die weltweite häufigste Todesursache für Menschen. Neuartige Entwicklungen im Bereich der Medizintechnik helfen, diese Art von Erkrankungen frühzeitig zu diagnostizieren und präventive Maßnahmen für die betroffenen Personen einzuleiten. Die damit zusammenhängende Grundlagenforschung von relevanten Diagnosemitteln ist somit ein wichtiger Bestandteil, die Lebensqualität und Lebensdauer von Risikopatienten zu verbessern. Unabdingbar ist dabei ein umfassendes und permanentes Monitoring der Vitalfunktionen, ohne eine Einschränkung der Bewegungsfreiheit zu verursachen. Hierbei ist insbesondere der herznahe Blutdruck relevant, was durch eine Erfassung von dem selbigen und der Herzfrequenz als Momentanwert gewährleistet werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein MEMS Flusssensorsystem entwickelt und untersucht, welches neue technische Grundlagen für alternative Diagnosemöglichkeiten in dem oben genannten Bereich ermöglicht. Es wird hierbei hinsichtlich thermischer Durchflussmessverfahren, insbesondere der Anemometrie und des Thermal-Time-of-Flight-Verfahrens, untersucht. Dazu werden Halbleitertechnologieprozesse, wie eine Elektronenstrahllithografie und chlorbasierte Trockenchemieätzverfahren, angewendet und weiterentwickelt. Weiterhin werden diese Technologien genutzt, um Skalierungseffekte von den dazugehörigen thermischen Sensorelementen zu erzielen. Das Sensorkonzept nutzt dabei ein mittiges Heizfilament, welches, in einem definierten Abstand, symmetrische verteilte Diodenpaare als Hitzesensoren nutzt. Die notwendigen Technologieprozesse werden dabei angepasst, um diese Strukturen in einer nanoskaligen Dimension zu realisieren. Ein Hitzeimpuls (TToF-Verfahren) oder eine konstante Erwärmung (Anemometrie) wird am Filament erzeugt und durch das umströmende Messmedium weitergetragen. Die temperaturempfindlichen Dioden können diesen thermischen Verlauf detektieren und aus der Laufzeit lässt sich die Flussgeschwindigkeit ermitteln. Als Ausgangssubstrat kommt ein Silicon-on-Insulator (SOI)-Substrat zum Einsatz, wobei die vergrabene Oxidschicht (engl. buried oxide) primär als elektrischer und thermischer Isolator genutzt wird. Zur weiteren Erhöhung der thermischen Ansprechempfindlichkeit wird zusätzlich ein Prozessschritt entwickelt, welcher mittels Flusssäure (HF) eine isotrope Unterätzung der Sensorstege realisiert. So ergibt sich ein größeres Fläche-zu-Volumen-Verhältnis, was dieser entgegenkommt. Weiterhin wird eine passende Ausleseelektronik und Messumgebung realisiert, sowie eine geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik. Damit werden die Bonddrähte vor dem Einfluss des umströmenden Messmediums geschützt. Evaluiert wird dieses Sensorkonzept anhand von unter Reinraumbedingung gefertigten Prototypen. Dabei zeigt sich bei der Messung der Flussgeschwindikeit von Isopropanol, dass die nanoskaligen Sensorstrukturen insbesondere für ein anemometrisches Messprinzip geeignet sind. Das Thermal-Time-of-Flight Verfahren hingegen zeigt, aufgrund dessen geringer Masse, Defizite hinsichtlich der notwendigen Heizleistung am Filament. Im Vergleich zu vorherigen Arbeiten zeigen sich somit Grenzen hinsichtlich der Skalierbarkeit dieser Flusssensorverfahren auf. Für zukünftige Arbeiten können die weiterentwickelten Halbleiterprozesse neue Ansätze hinsichtlich optimierten Sensordesigns in der Mikrofluidik schaffen.